مفاهیم اولیه در ویدئو

مفاهیم اولیه در ویدئو

اسلاید 1: انواع سیگنالهای ویدئویی ویدئوی آنالوگ ویدئوی دیجیتالفصل پنجممفاهیم اولیه در ویدئو

اسلاید 2: انواع سیگنالهای ویدئویی2( Component Video)در این روش ، سیستمهای ویدئویی از 3 سیگنال ویدئوی متفاوت برای ارسال قرمز و سبز و ابی استفاده میکنند. بیشتر سیستمهای کامپیوتری از ویدئو های مرکب با سیگنالهای متفاوتی برای سیگنالهای R, G, B استفاده میکنند.برای هر طرح جداسازی رنگ ویدئو مرکب بهترین تولید رنگ را تا جایی که هیچ تداخلی بین این سه کانال بوجود نیاید میدهد.این روش به پهنای باند بالا و الگوریتمهای همزمان سازی خوبی بین این 3 ترکیب نیاز دارد.دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 3: انواع سیگنالهای ویدئویی Composite Videoاطلاعات مربوط به روشنایی و رنگ تصویر، همگی توسط یک سیگنال ارسال می شوندبرای اطلاعات رنگ از دو مولفه استفاده می شود(I,Q یا U,V )برای مثال در NTSC مولفه های IوQ با هم ترکیب می شوند(chrominance) و به همراه مولفه روشنایی(luminance) روی یک حامل قرار داده و ارسال می شونداین دو مولفه در گیرنده از هم جدا شوند و سپس دو مولفه رنگی از chrominance مجددا بازسازی شوند.برای اتصال دستگاهی که از Composite Video استفاده می کند به تلویزیون، فقط از یک سیم استفاده می شود همچنین سیگنالهای صدا و همزمانسازی شده به این سیگنال تک اضافه میشوند.از آنجایی که رنگ و شدت آن در یک سیگنال قرار داده می شوند، مقداری تداخل بوجود می آید که غیر قابل اجتناب است.3دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 4: انواع سیگنالهای ویدئوییS-VideoS-Video (separated video یا Super-video در S-VHS )از 2 تا سیم استفاده میکند یکی برای روشنایی و دیگری برای رنگدر نتیجه تداخل کمتری بین اطلاعات رنگ و اطلاعات روشنایی بوجود می اید.علت استفاده از یک سیگنال مجزا برای روشنایی ، حساسیت زیاد آن برای چشم است.چون حساسیت چشم به روشنایی تصویر بیشتر از رنگ آن است در نتیجه ما میتوانیم اطلاعات کمتری را برای رنگهای سیگنال نسبت به اطلاعات شدت روشنایی ارسال کنیم. 4دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 5: ویدئو آنالوگبرای ارسال تصویر به صورت آنالوگ باید در هر لحظه اطلاعات کل تصویر ارسال شود(اطلاعات تصویر در یک فضای دو بعدی قرار دارد)سیگنال آنالوگ در هر لحظه از زمان فقط حاوی یک مقدار است بنابراین برای ارسال ویدئو باید اطلاعات تصویر به صورت سطر به سطر ارسال شوددر تلویزیون و دیگر مونیتورها و سیستم های چند رسانه ای برای ایجاد کیفیت بیشتر از تکنیک Interlace استفاده می شود(اسکن یک در میان)در این روش سطرها به دو دسته زوج وفرد تقسیم می شوند و سطرهای فرد، اول پیمایش شده و سپس سطرهای زوج پیمایش میشوند5دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 6: اسکن یک درمیانابتدا سطرهای فرد اسکن می شوند.از P تا Q سپس R تا S و...و در اخر تا T برای اسکن سطرهای زوج از U شروع میکند تا در اخر به V برسد.پرش از Q تا R و.. را جابجایی افقی میگویند( retrace horizontal)پرش از T تا U و V تا P راجابجایی عمودی مینامند. ( retrace Vertical)6دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 7: بدلیل یک درمیان بودن خطهای زوج و فرد همزمان نمایش داده میشوند و معمولا قابل ملاحظه نیست مگر زمانیکه خیلی سریع عکس العمل نشان دهند و مکانی را زمانیکه رخ میدهند روی صفحه نمایش حفظ کنند.برای مثال در ویدئو در شکل 5.2 حرکت کردن هلیکوپتر نسبت به ارام بودن پس زمینه ابهامش بیشتر است.7دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 8: (a فریم ویدئوی اصلی (b سطرهای فرد c) سطرهای زوج (d اختلاف دو تصویر(a)(b)(c)(d)8دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 9: گاهی اوقات نیاز به انجام تغییراتی در نرخ فریم یا تغییر اندازه فریم داریم(این عمل را می خواهیم مستقیما روی سیگنال آنالوگ ویدئو انجام دهیم). در این شرایط دو روش برای de-Interlacing وجود دارد:(a ساده ترین روش این است که یکی از سطرها را دور بریزیم و هر سطر را دوبار تکرار کنیم.(b روشهای پیچیده دیگر که اطلاعات هر دو سطر را حفظ میکنند نیز قابل انجام هستند.در یک ویدئوی انالوگ چگونه عملیات همزمانی انجام شود؟ از کجا بفهمیم سیگنالی که در حال دریافت هستیم الان در حال ارسال کدام سطر یا ستون است؟در سیگنال ویدئو برای نمایش رنگ سیاه از مقدار صفر استفاده نمی کنند (مقدار استفاده شده برای رنگ سیاه یک عدد کوچک نزدیک به صفر است)بنابراین از مقدار صفر می توان برای سنکرون سازی استفاده کرد.9دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 10: سیگنال الکترونیکی برای یک اسکن خط NTSC10دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 11: ویدئو NTSC NTSC (کمیته سیستمهای تلویزیون بین المللی ) استانداردی است که بیشترین استفاده را در امریکای شمالی و ژاپن دارد. از نسبت صفحه (Aspect Ratio) 4:3 (تناسب بین عرض و طول یک تصویر)و 525 خط اسکن در هر فریم که 30 فریم در ثانیه هست که استفاده میشود.(a NTSC از یک سیستم اسکن یک خط در میان پیروی میکندو هر فریم به دو فیلد با 262.5 lines/field تقسیم میشود .(b بنابراین فرکانس حرکت افقی 525×29.97 ≈ 15, 734 lines/sec است که هر کدام از خط ها در 1/15.734 × 103 sec ≈ 63.6μsecc)زمان جابجایی افقی 10.9 μsecزمان میگیرد که این سطح 52.7 μsec برای سیگنال خط فعال هنگامیکه اطلاعات تصویر نمایش داده میشود است.(شکل 5.3 را ببینید)11دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 12: ویدئو NTSC شکل 5.4 تاثیر هر کدام از“ جابجایی عمودی و همزمانسازی ”و ”پیمایش افقی و همزمانسازی“را روی NTSC video raster نشان میدهد.شکل 5.4 Video raster .شامل پیمایش و اطلاعات همزمانسازی12دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 13: ویدئو NTSC (a در جابجایی عمودی در شروع هر فیلد طی 20 خط اطلاعات کنترلی ذخیره میشود از اینرو تعداد خطوط فعال ویدئویی در هر فریم فقط 485 عدد است. (525-2*20)(b بطور مشابه تقریبا 16درصد از رستر افقی،که در طرف چپ هستند برای جابجایی افقی وهمزمانسای است. (c از آنجایی که جابجایی افقی 10.9 μsec طول می‌کشد بنابراین مدت زمانی که در یک سطر نمایش انجام می شود ، 52.7 μsec است13دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 14: ویدئو NTSC ویدوئو NTSC یک سیگنال آنالوگ است که رزولوشن افقی ثابتی برای آن تعریف نشده است. بنابراین، انتخاب تعداد نمونه برداری های انجام شده در یک سطر بر عهده استفاده کننده می باشد. هر نمونه برداشته شده در یک سطر معادل یک پیکسل است.از یک کلاک برای نمونه برداری افقی استفاده می شود. هر چه فرکانس بالاتر باشد آنگاه تعداد نمونه‌های بیشتری در هر خط وجود دارد.فرمتهای مختلف ویدئویی بر اساس تعداد نمونه‌های برداشته شده در یک سطر از یکدیگر تمیز داده می شوند. جدول 5.1 نمونهای هر خط برای فرمتهای مختلف ویدئو14دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 15: مدل رنگ و مدولاسیون در NTSCNTSC از مدل رنگ YIQ استفاده می‌کند و اطلاعات I و Q را با توجه به رابطه زیر با هم ترکیب می کند. C = I cos(Fsct) + Qsin(Fsct) (5.1)این سیگنال رنگی مدوله شده به نام حاملهای رنگی هم شناخته میشود که مقدار آن برابر و فاز آن tan−1(Q/I) است .فرکانس C Fsc ≈ 3.58 MHz است. سیگنال NTSC از نوع Composite video است. بنابراین اطلاعات روشنایی تصویر یا Y نیز با اطلاعات رنگ جمع می شود.Y +C = Y +Icos(Fsct) + Qsin(Fsct) (5.2)15دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 16: مدولاسیون در NTSC16دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 17: مدولاسیون در NTSCبا استفاده از فیلتر پایین گذر(Low-pass Filer) سیگنال Y جدا می شود. سیگنال رنگی C میتواند سپس به اجزاء Iو Q بطور جداگانه ای تبدیل می‌شود.محدوده پهنای باند NTSC 6 مگا هرتز است. فرکانس زیرحامل صدا 4.5 مگا هرتز می باشد. حامل تصویر در 1/25 مگا هرتز است، که در مرکز باند صدا درکانال یعنی در1.25+4.5=5.75MHz قرار دارد (شکل5.5). با توجه به اینکه که حامل رنگ در 1.25+3.58=4.83MHz قرار می گیرد.بنابراین صدا خیلی به حامل رنگ نزدیک است-این وضعیت باعث یک وجود پتانسیل بالقوه‌ای برای تداخل سیگنال صدا و رنگ میشود. 17دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 18: ویدئوی PALPAL(خط فازی متناوب) یک استاندارد تلویزیونی است که در غرب اروپا، چین، هند، و بسیاری از مناطق دیگر جهان به طور گسترده استفاده می شود.PAL در هر فریم از 625 خط اسکن، 25 فریم بر ثانیه، نسبت دید4:3 و فیلدهای یک در میان استفاده می کند.PAL از مدل رنگیYUV استفاده میکند. از یک کانال 8MHz استفاده میکند و پهنای باند 5.5MHz را بهY ،و برای هریک از U وV ، 1.8MHz اختصاص میدهد. فرکانس حامل رنگ fsc ≈ 4.43 MHz می باشد.برای بهتر کردن کیفیت تصویر، سیگنالهای رنگی در خطوط اسکن متوالی علامت‌های یک در میان (U-و+U ) دارند، به این دلیل به این روش Phase Alternating Line”” گفته می شود18دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 19: ویدئوی SECAMSECAM مخفف System Electronique Couleur Avec Memoire می باشد، و سومین استاندارد مهم پخش تلویزیونی است.SECAM همچنین در هر فریم از 625 خط اسکن، 25 فریم در هر ثانیه،با نسبت دید 4:3 و از تکنیک اینترلیس استفاده می کند.SECAM و PAL بسیار بهم شبیه هستند. آنها اندکی در طرح کدگذاری رنگ متفاوت هستند:(a)در SECAM ،سیگنالهایU وV مدوله شده هستند و از حامل های رنگی جداگانه، به ترتیب 4.25MHz و 4.41MHz استفاده می کنند.(b ) آنها بصورت خطوط متناوب فرستاده میشوند، در هر خط اسکن فقط یکی از سیگنالهای U یا V فرستاده خواهد شد.19دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 20: جدول 2.5 مقایسه ای از 3 سیستم عمده تلویزیونی پخشی آنالوگ را شرح می دهد.جدول5.2 : مقایسه ای از سیستمهای تلویزیون پخشی آنالوگ 20سیستم تلویزیونینرخ فریم(fps)تعداد خطوط پویشکل پهنای کانال(MHz)پهنای باند تخصیص داده شده(MHz)پهنای باند تخصیص داده شده(MHz)پهنای باند تخصیص داده شده(MHz)سیستم تلویزیونینرخ فریم(fps)تعداد خطوط پویشکل پهنای کانال(MHz)YI یا U Q یا VNTSC29.975256.04.21.60.6PAL256258.05.51.81.8SECAM256258.06.02.02.0دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 21: ویدئوی دیجیتالفواید نمایش دیجیتال برای ویدئو بسیار زیاد است. برای مثال:(الف) ویدئو میتواند در دستگاه های دیجیتال یا در حافظه ذخیره شود، برای پردازش ( حذف نویز، برش(Cut) و چسباندن(Paste) و....) آماده شود (ب) دسترسی مستقیم به آن امکان پذیر است، ویرایش غیر خطی ویدئو را به کاری آسان مبدل می سازد.(ج) ضبط مجدد، کیفیت عکس را پایین نمی آورد.(د) به آسانی رمز گذاری می شود و تحمل بهتری در برابر نویز کانال دارد.21دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 22: کاهش نمونه برداری از سیگنال رنگبا توجه به حساسیت بیشتر چشم انسان به شدت روشنایی و حساسیت کمتر نسبت به رنگ، بنابراین می توان نرخ نمونه برداری از سیگنال رنگ را کاهش داد.چهار حالت برای تعداد نمونه های شدت روشنایی و رنگ وجود دارد:(الف) طرح نمونه برداری رنگی ”4:4:4“ نشان می دهد که هیچ کاهش نمونه برداری رنگی استفاده نشده است: به ازای هر Y، یک Cb و Cr ارسال می شود22دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 23: کاهش نمونه برداری از سیگنال رنگ(ب) طرح “4:2:2“ نمونه برداری افقی از سیگنالهای Cb و Cr نصف می‌شود. از هر4پیکسل افقی، همه Yها فرستاده میشوند و فقط دو نمونه Cb و Cr ارسال می‌شوند(ج) طرح “4:1:1“ تعداد نمونه‌های سیگنال رنگ با ضریب 4، کاهش می یابند(د) طرح “4:2:0“در دو بعد افقی و عمودی با ضریب 2 نمونه گیری کاهش می یابد.23دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 24: کاهش نمونه برداری از سیگنال رنگ24شکل 6.5 : نمونه برداری رنگیدانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 25: HDTV (تلویزیون با درجه تفکیک بالا)(الف) نسل اول HDTV بر پایه یک فناوری آنالوگ به وسیله Sony و NHK در ژاپن در اواخر سال 1970 توسعه داده شد.(ب) MUSE (Multiple sub-Nyquist Sampling Encoding)، HDTV NHK را با تر کیب سیستم آنالوگ با دیجیتال، آن را بهبود بخشید. در این سیستم تعداد خطوط اسکن 1125 و نرخ تازه سازی 60 بار در ثانیه و نسبت 16:9 استفاده شد(ج) از انجاییکه HDTV غیر فشرده، نیاز به پهنای باند بیشتر از 20 مگا هرتز را نیاز دارد که در حال حاضرکانال های 6 مگاهرتزی یا 8 مگا هرتزی مناسب نیستند، تکنیک های مختلف فشرده‌سازی مورد توجه قرار گرفت.(د) همچنین پیش بینی شد که سیگنال های HDTV با کیفیت بالا، بعد از فشرده سازی در بیشتر از یک کانال ارسال خواهند شد.25دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 26: HDTV (تلویزیون با درجه تفکیک بالا)تاریخچه کوتاهی از تکامل HDTV :(الف) در 1987، FCC تصمیم گرفت که استانداردهای HDTV باید با استاندارد NTSC سازگار باشد. (ب) در 1990، FCC تصمیم گرفت تا HDTV به صورت همزمان با NTSC TV مورد استفاده قرار بگیرد و سرانجام جایگزین آن شود.(ج) FCC در 1993 یک تصمیم اساسی برای رفتن بسوی all-digital گرفت. 4 پیشنهاد اصلی توسط موسسات MIT ، Zenith ، و AT&T و بوسیله توماس، فیلیپس، سارنوف و دیگران شکل گرفت.(د) که سرانجام منجر به تشکیل ATSC ( کمیته سیستم های پیشرفته تلویزیونی) شد-این کمیته مسئول استاندارد برای تلویزیونهای پخشی HDTV می باشد.(ه) در 1995 U.S.FCCکمیته مشاور سرویس تلویزیونهای پیشرفته، سفارش کرد که استاندارد تلویزیون دیجیتال ATSC پذیرفته شود.26دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 27: HDTV (تلویزیون با درجه تفکیک بالا)استاندارد پشتیبان فرمتهای پویش ویدئویی که در جدول 4.5 نشان داده شده است. ”I“ به معنی Interlaceو ”P“ به معنی پویش پیشرونده (غیر یک در میان) می باشد.27دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 28: HDTV (تلویزیون با درجه تفکیک بالا)برای ویدئو، MPEG-2 به عنوان استاندارد فشرده سازی انتخاب شده است. برای صدا AC-3 استاندارد است. از 5کانال فراگیر صدا به اضافه یک کانال subwooferپشتیبانی میکند.تفاوت برجسته بین تلویزیون های اولیه و HDTV :(الف) HDTV یک نسبت تصویر عریضتر، 16:9 به جای 4:3 دارد.(ب) HDTV بسوی پویش پیشرونده ( non interlace) حرکت می کند28دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای

اسلاید 29: HDTV (تلویزیون با درجه تفکیک بالا)انواع سرویسهای فراهم شده عبارتند از:SDTV( Standard DTV) : تلویزیون NTSC رایج یا بالاتر.EDTV (Enhanced DTV): 480 خط فعال یا بالاتر، سطر سوم یا چهارم در جدول 4.5.HDTV ( High DTV): 720 خط فعال یا بالاتر.29دانشگاه اصفهان-درس سیستم‌های چندرسانه‌ای